沈陽機床配件研究了數(shù)控車削仿真的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)數(shù)控車削沈陽機床配件加工過程的特點，實現(xiàn)了加工軌跡仿真、加工過程實時仿真和加工過程的干涉碰撞檢查，探討了數(shù)控車削NC坐標信息處理方法．對數(shù)控車削仿真系統(tǒng)中文本和圖形顯示功能進行了開發(fā)．提出了實現(xiàn)各種刀具軌跡仿真的可行算法。
1 引言
傳統(tǒng)的加工仿真方法是通過直觀的圖形顯示來進行數(shù)控程序的加工仿真和干涉碰撞檢查，即在計算機上用線框模擬刀具沿刀具路徑在工件上的加工過程。近年來，隨著微沈陽機床配件型計算機軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，基于實體造型的三維數(shù)控仿真技術(shù)在工程上的應(yīng)用日益廣泛，有文獻研究了在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，應(yīng)用多媒體技術(shù)進行數(shù)控加工仿真的技術(shù)。這些新的加工仿真技術(shù)的出現(xiàn)使數(shù)控程序的加工仿真進人一個新的階段。
本文針對數(shù)控車削加工仿真進行了研究并建立了數(shù)控車削動態(tài)仿真系統(tǒng)。
2 數(shù)控車削加工仿真流程
本文設(shè)計的數(shù)控車削仿真系統(tǒng)既可以對手工編制的單沈陽機床配件機數(shù)控車削程序進行仿真，也可以作為CAD/CAPP/CAM集成制造系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，對集成制造系統(tǒng)自動產(chǎn)生的數(shù)控車削程序進行仿真。該系統(tǒng)可以完成對子程序的處理，允許運動坐標的續(xù)效代碼和注釋行的存在，并且支持多種數(shù)控代碼格式，是一個通用的數(shù)控車削NC 程序仿真系統(tǒng)，其工作流程如圖1所示。
數(shù)控車削加工仿真系統(tǒng)包括四個部分：NC代碼詞法和語法分析、刀具加工軌跡仿真、刀具加工過程仿真和刀具加工過程中的干涉碰撞檢查。具體的仿真過程是：首先仿真系統(tǒng)沈陽機床配件通過對NC程序進行兩次掃描分析，完成對NC程序的編譯解釋和對NC程序的語義分析與坐標變換，此后，生成一個NC坐標信息文件；其次NC坐標文件解釋程序從NC坐標信息文件中讀取加工仿真所需的刀具信息、刀具運動指令及坐標信息，并從刀具庫中讀取相應(yīng)的加工刀具信息；最后調(diào)用相應(yīng)的加工仿真算法，完成零件的刀具軌跡仿真、加工過程仿真和干涉碰撞檢查等仿真過程。在加工仿真時．既可以進行數(shù)控代碼的全過程仿真，也可以進行沈陽機床配件單工步加工仿真，具有很大的靈活性。
3 NC程序的編譯解釋
NC程序格式
NC程序詞法和語法分析
NC程序編譯解釋
數(shù)控程序是由數(shù)控指令組成的，一般一條數(shù)控指令完成一個操作功能，NC程序是由若干條數(shù)控指令按照一定的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。一個完整的數(shù)控加工程序是由若干程序段組成的。常用的程序段格式有：固定順序程序段格式、有分隔符的固定順序程序段格式和字地址程序段格式。目前常采用字地址程序段沈陽機床配件格式，國際標準化組織制定了字地址程序段格式ISO-6983-1-1 982標準，其形式為
N… G… X±… Z±… I±… J±… K±… M… S… T… F…
其中G指令、M指令及F、S、T指令代碼描述數(shù)控機床的運動方式、加工類型、主軸狀態(tài)、冷卻液的開關(guān)、進給速率、主軸轉(zhuǎn)速的設(shè)置和刀具的選擇等。X、Z、I、J、K為坐標指令字，分別描述刀心位置坐標值及加工軌跡中圓弧的圓心坐標等。
對NC程序解釋編譯是按照數(shù)控程序的沈陽機床配件書寫規(guī)則進行的。詞法和語法分析的實質(zhì)是將NC程序與ISO數(shù)控程序標準進行匹配檢查，針對FUNAC數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置了20多條檢查規(guī)則，例如：
NC程序有效字符：%，N, G, M, T, F, S, X, Y, Z, I, J, K, R, 0～9, (,), /;
第一行必須是%或注釋行；
G代碼后必須是兩位數(shù)字，并且一定是有效代碼．如G00、G01、G02、G50、G92等；
同組G代碼在同一段中不能同時存在，如G01與G02或G03等不能同時出現(xiàn)在同一程序段內(nèi)；
M代碼后必須是兩位數(shù)字，并且一定是有效代碼，如M01、M02、M08等：
T代碼后必須是數(shù)字，且符合TXXYY格式，其中XX值沈陽機床配件不能大于刀庫容量，YY竹值不能大于刀具補償號容量；
S代碼后必須是數(shù)字，且必須在主軸轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)；
…
NC程序的編譯過程是先建立一個與數(shù)控代碼程序段格式相對應(yīng)的Vbuffer類對象，把此對象作為一個臨時緩沖區(qū)，將程序段中的數(shù)控加工信息依次讀出，經(jīng)解釋變換后寫入NC坐標信息文件中，該文件是刀具軌跡仿真的驅(qū)動數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的方法逐行順序讀人數(shù)控代碼，故系統(tǒng)支沈陽機床配件持坐標字和數(shù)控指令字續(xù)效代碼的處理。
圖2 刀具運動軌跡仿真算法流程
4 仿真行為
刀具軌跡的動態(tài)加工仿真
零件加工過程動態(tài)仿真
零件加工過程干涉碰撞檢查
刀具軌跡動態(tài)仿真是根據(jù)要進行仿真的數(shù)控代碼，在計算機屏幕上動態(tài)顯示刀具軌跡，以運動軌跡的方式來直觀顯示零件具體的加工過程；進行刀具軌跡動態(tài)仿真時，順序讀入NC坐標信息文件，獲取數(shù)控指令(直線、圓弧指令等)和命令參數(shù)(起點、終點和圓心坐標等)，然后執(zhí)行相應(yīng)的軌跡處理：對于直線和圓弧命令，則要根據(jù)其起止運動坐標，進行直線和圓弧的插補運算，得到運動過程中離散的中間點的沈陽機床配件坐標值，然后動態(tài)顯示刀具運動軌跡。刀具運動軌跡仿真算法流程如圖2所示。
為了清楚地表達刀具的軌跡運動過程，仿真畫面將顯示零件毛坯、零件外形輪廓、夾具、起刀點、刀具運動軌跡、退刀點和輔助加工信息等。并用不同的顏色來表示不同的刀具運動軌跡。刀具軌跡加！：仿真的優(yōu)點是可以簡單直觀地檢測刀具運動軌跡的正確性，計算機處理數(shù)據(jù)較少，顯示速沈陽機床配件度快，故可獲得很好的動態(tài)顯不效果。
(a)
(b)
圖3 加工過程動態(tài)仿真車削加廠模型
為了實時顯示加工刀具的形狀和運動過程，需建立一個刀具切削加工模型。為簡化建模過程，對于車削刀具，將標準(ISO)刀具和非標準刀具統(tǒng)一成標準的切削模型，圖3a為粗、精車刀和螺紋刀，圖3b為切槽刀其中kr為主偏角，kr'為副偏角，Er為刀尖角，tw為槽刀寬度；同時建立一加工刀庫配置文件來管理各種刀具的幾何與物理描述數(shù)據(jù)在進行加工過程仿真時，根據(jù)數(shù)控代碼中的指令，在刀庫配置文件沈陽機床配件中選擇相應(yīng)的刀具，在夾具資源庫中選擇相應(yīng)的夾具和夾緊方式，真實地反映加工過程，以觀察刀具和夾具的干涉和碰撞情況。
加工過程動態(tài)仿真算法流程和刀具運動軌跡仿真算法流程是一致的(圖2所示)，不同的是刀具運動軌跡仿真是用“運動點”來動態(tài)顯示刀具軌跡，而加工過程動態(tài)仿真算法是用“刀具模型”顯示刀具軌跡，并實時顯示毛坯的去除過程。根據(jù)切削加工模型，當(dāng)?shù)毒咛幱谇邢骷庸み\動時，沈陽機床配件用背景色填充刀具切削部分來進行加工過程仿真：該方法只適用于二維車削的平面仿真情況，與毛坯的形狀無關(guān)，亦不需額外的判斷和計算過程，對汁算機的性能要求不高，微機的顯示速度完全可以滿足實時性的要求。
二維車削加工干涉碰撞是指，由于數(shù)控指令錯誤或刀具參數(shù)選擇不當(dāng)而造成的刀具與工夾具之間及刀具和己加工表面或待加工表面發(fā)生干涉碰撞的情況。干涉碰撞檢查沈陽機床配件算法是，在任一加工時刻，將切削刀具包圍輪廓和靜止件(機床和夾具等)包圍輪廓作二維布爾運算，如有相交情況，則說明該加工工步位置有碰撞清況發(fā)生，需修改加工指令。
圖4 加工過程中刀具的干涉碰撞檢查示意圖
圖5 干涉檢查算法流程
具體的干涉碰撞檢查算法，是在插值點將加工刀具的主偏角和副偏角與直線傾斜角度比較，對于圓弧段輪廓，則與該插值點在圓弧輪廓的切線的傾斜角進行比較，并區(qū)分順圓沈陽機床配件和逆圓兩種情況。以右車刀切外輪廓為例，其對于直線和圓弧的干涉檢查如圖4所示。檢查結(jié)果將寫入一個干涉報告中，圖4中，kr為主偏角．kr'為副偏角，Er為刀尖角，A為與切削加工方向相反的傾斜角，B為與切削加工方向相同的傾斜角。當(dāng)A>kr時，刀具副切削刃和零件表面發(fā)生干涉，當(dāng)180°+B<180°-kr時，刀具的主切沈陽機床配件削刃和零件表面發(fā)生干涉，這時將發(fā)生過切現(xiàn)象二對于不同的加工方向和加工輪廓，上述判別式應(yīng)進行相應(yīng)的調(diào)整。
零件加工過程干涉碰撞檢查的算法流程如圖5所示。
5 結(jié)語
零件加工動態(tài)模擬仿真可以比較真實地反映出實際的切削加工過程，不僅可檢查數(shù)控代碼的正確性，還可以檢查加工過程中刀具與工件、刀具與機床以及刀具與夾具之間是否有干涉(碰撞或過切)現(xiàn)象，如果仿真過程中發(fā)現(xiàn)刀具軌跡錯誤或有干涉現(xiàn)象產(chǎn)生，可以馬上停止，并對加工程序?qū)?span lang="EN-US" style="font-size:10.5pt;font-family:'Times New Roman';mso-bidi-font-size:12.0pt;mso-fareast-font-family:宋體;mso-font-kerning:1.0pt;mso-ansi-language:EN-US;mso-fareast-language:ZH-CN;mso-bidi-language:AR-SA;">沈陽機床配件施修正，保證了加工質(zhì)量。
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